DE69512221T2

DE69512221T2 - Optische vorrichtung

Info

Publication number: DE69512221T2
Application number: DE69512221T
Authority: DE
Inventors: Timothy Birks; Christopher Pannell; Philip Russell
Original assignee: University of Southampton
Current assignee: Gooch and Housego PLC
Priority date: 1994-02-18
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2015-02-18
Also published as: WO1995022783A1; AU1670195A; FI963184A0; NZ279542A; FI963184L; GB9403122D0; DE69512221D1; EP0749591A1; ES2139191T3; EP0749591B1; CN1145669A; AU696891B2; JPH09508986A; ATE184710T1; US5915050A; CN1048094C; CA2183588A1; FI963184A7

Description

Diese Erfindung betrifft optische Einrichtungen.
Akusto-optische Einrichtungen wurden für den Einsatz als optische Frequenzschieber, abstimmbare Filter, optische Switches und optische Modulatoren vorgeschlagen. Diese Einrichtungen setzen eine Wechselwirkung ein, und zwar zwischen Licht, das über ein Übertragungsmedium geführt wird, und akustische Schwingungen, die in dem Übertragungsmedium aufgebaut werden.
Ein Beispiel einer bekannten akuso-optischen Einrichtung ist die Bragg-Zelle, die eine lichtsendende Zelle enthält, in der akustische Schwingungen (in der Form von sich ausbreitenden Wellen) durch einen Transducer aufgebaut werden, der an einer Fläche der Zelle angebracht ist.
Die akustischen Schwingungen bewirken eine periodische Störung des Brechungsindex des Zellmaterials, da das Material aufeinanderfolgend komprimiert und verdünnt wird. Diese periodischen Störungen wirken als Ausbreitungsbrechungsgitter in der Zelle. Betriebsgemäß wird auf der Zelle mit einem sogenannten Bragg-Winkel (eine bekannte Funktion der Wellenlänge des Lichts und der Periode des Brechungsgitters) vorliegendes Licht durch das Ausbreitungsgitter gebrochen. Diese ändert die Ausbreitung des Lichts. Zusätzlich erfolgt aufgrund des Durchschreitens des Gitters bzw. Beugungsgitters durch die Zelle (mit den sich ausbreitenden akustischen Schwingungen) auch eine Dopplerverschiebung des gebrochenen Lichts, so daß die Frequenz des Lichts gemäß einem Umfang geändert wird, der gleich der Frequenz der akustischen Schwingungen ist. Werden die akustischen Schwingungen entfernt, so wird das Licht nicht gebrochen und es tritt aus der Zelle im wesentlichen unverändert aus.
Hierdurch kann die Bragg-Zelle so betrieben werden, daß sie die Frequenz vorliegenden Lichts verschiebt, zum Ändern der Richtung der Ausbreitung des vorliegenden Lichts (wodurch sie als Schalter wirkt) oder zum Bereitstellen einer Frequenz oder Amplitudenmodulation des vorliegenden Lichts. Jedoch weist die Bragg-Zelle den signifikanten Nachteil auf, daß sie teuer ist und eine komplexe große optische Einrichtung ist. Es ist schwierig, eine Bragg-Zelle in einem Lichtleitfasersystem einzusetzen, da die Lichtleitfasern mechanisch zu der Zelle "angeschlossen bzw. mit Pigtail- Verbindung angeschlossen" werden müssen. Dies kann zu einem Einfügeverlust von 5 bis 6 dB (Dezibel) führen, was ein Hauptproblem beispielsweise bei einem Lichtleitfasern- Kommunikationssystem sein kann, bei dem die Distanz und die Geschwindigkeit der Kommunikation von der optische Energie abhängt, die bei dem Kommunikationsempfänger verfügbar ist. Ein weiteres nachteilhaftes Merkmal der Bragg-Zelle besteht darin, daß eine hohe elektrische Energie (beispielsweise in der Größenordnung 1 Watt) erforderlich ist, um den akustischen Transducer zu treiben. Der Grund hierfür besteht darin, daß ein großer Abschnitt der Zelle mit den akustischen Schwingungen anzutreiben ist, obgleich der tatsächliche Überlapp (das Wechselwirkungsvolumen) zwischen dem Licht und den akustischen Schwingungen lediglich einen geringen Anteil der Zelle belegt.
Als Alternative zu der Bragg-Zelle wurde vorgeschlagen, Licht entlang einer Lichtleitfasern mit zwei Lichtübertragungsmodi auszubreiten, und akustische Biegeschwingungen bzw. Wiegeschwingungen in der Faser zu induzieren, zum Koppeln von Licht aus einem der Fasermodi zu dem anderen. Zwei Modi können zwei unterschiedliche räumliche Modi einer Doppelmodusfaser (beispielsweise die sogenannten LP&sub1;&sub1; und LP&sub0;&sub1; Modi) sein, die zwei orthogonalen Polarisationsmodi einer Doppelbrechungsfaser, oder die sogenannten Supermodi einer Doppelkernfaser.
Diese optischen faserbasierten akusto-optischen Einrichtungen nützen die Tatsache, daß bei den zwei Modi eine Ausbreitung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang der optischen Faser erfolgt, was zu einer räumlichen Schwingung bzw. Überlagerung zwischen den zwei Modi entlang der Faserlänge führt. Stimmt die "Überlagerungslänge" mit der Wellenlänge einer auf die Faser ausgeübten Biegeschwingung überein, so erfolgt eine Resonanzkopplung von Licht von einem der Modi zu dem anderen, derart, daß - wie oben beschrieben - die Frequenzverschiebung ebenfalls auftritt. Ein Modusfiltern kann dann zum Isolieren des gewünschten (frequenzverschobenen) Modus eingesetzt werden.
Faserbasierte akusto-optische Einrichtungen dieses Typs eignen sich allgemein mehr als eine Bragg-Zelle für den Einsatz in einem Gesamtfasersystem. Jedoch ist die maximal anwendbare akustische Frequenz durch die Faserabmessungen begrenzt, und sie ist typischerweise zu ungefähr 10 MHz (Megahertz) beschränkt. Das Licht wird allgemein auf den Faserkern begrenzt, jedoch muß die akustische Welle eine Vibration der gesamten Faser bewirken. Dies bedeutet, daß obgleich die Anforderungen an die elektrische Energie tendenziell niedriger als diejenigen sind, die zum Treiben einer Bragg-Zelle erforderlich sind, sie dennoch relativ sind (in der Größenordnung von 100 mW (Milliwatt)). Es kann erforderlich sein, die üblichen Einmodusfasern (allgemein in Kommunikationssystemen eingesetzt) zu spleißen, zu spezialisierten (in diesem Fall Doppelmodus)-Fasern in der akusto-optischen Einrichtung, was zu Einfügeverlusten führt. Die akustische Frequenz für den Betrieb bei einer gegebenen optischen Wellenlänge ist durch die Eigenschaften der Fasern fixiert, und sie läßt sich nicht ohne Herstellung einer neuen Faser ändern. Schließlich erzielen ohne Anliegen einer akustischen Energie diese Einrichtungen keine Lichtausgabe.
EP-A-0 144 190 offenbart einen Seitenband-Modulator, der durch Beanspruchung abwechselnder Gebiete einer in Glasblöcken eingeschlossenen Faser betrieben wird. EP-A-0 120 369 offenbart den Einsatz eines PZT-Elements, das Biegeschwingungen in einer Lichtleitfaser bewirkt.
Diese Erfindung schafft eine optische Einrichtung, enthaltend: einen Lichtleitfasern-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfasern, die optisch bei einem Kopplungsgebiet an eine zweite Lichtleitfasern so gekoppelt ist, daß sie Licht in das Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi übertragen kann, und sie ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Übertragen von Energie zwischen den Übertragungsmodi durch Anregen einer akustischen Biegeschwingung bei mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets.
Die Erfindung adressiert die obigen Probleme durch Bereitstellung einer ganzfaseroptischen Einrichtung, bei der eine räumlich periodische Störung (d. h. eine mechanische Schwingung wie eine Biege- oder Torsionsschwingung oder eine temporäre nichtperiodische Biege- oder Ringwellung, induziert durch ein elektrisches Feld) sich signifikant mit der Lichtausbreitung durch die Einrichtung überlappt. Die Einrichtung kann ausgehend von standardisierten Lichtleitfasern aufgebaut werden, anstelle des Erfordernis des Einsatzes spezialisierter (beispielsweise Doppelmodus) Fasern. Dies bedeutet, daß sich die Einrichtung leicht mit anderen Lichtleitfasern verbinden läßt, und daß die Anforderungen an die elektrische Energie viel niedriger als bei zuvor vorgeschlagenen Einrichtungen sein können.
Der mit dem Stand der Technik Vertraute wird erkennen, daß der Begriff "Richtungskoppler" gut bekannt ist und eine Vielzahl optischer Koppler umfaßt, bei denen Eingangslicht in variierenden Abschnitten zu einer Zahl möglicher Ausgangsanschlüsse gerichtet wird oder dies möglich ist. Eine Zahl der nachfolgenden Beispiele in bezug auf einen 2 · 2 Koppler; jedoch ist zu erkennen, daß die Erfindung auf Koppler anwendbar ist, die eine größere oder eine unterschiedliche Zahl von Anschlüssen aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Übertragungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Erregen akustischer Schwingungen bei mindestens dem Teil des Kopplungsgebiets. Eine derartige akusto-optische Einrichtung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung läßt sich auf unterschiedliche Weise einsetzen. Beispielsweise kann bei Einsatz eines standardisierten 2 · 2 Richtungskopplers, hergestellt aus identischen Fasern, die akustische Schwingung eine oszillierende Ausgangsgröße zwischen zwei Ausgangsanschlüssen bei dem Doppelten der akustischen Frequenz bewirken. Dieser vorteilhafte Modulationseffekt tritt auf, da zwei Übertragungsmodi in dem Kopplungsgebiet angeregt sind; die akustische Schwingung kann einen schnellen Energietransfer zwischen den Modi bewirken, mit komplementären Frequenzverschiebungen (aufwärts und abwärts) für das Licht in den beiden Modi. Es tritt dann ein zeitweises Überlagern bzw. Schweben zwischen diesen frequenzverschobenen Ausgangsgrößen auf. Alternativ, wie nachfolgend beschrieben, läßt sich ein sogenannter "Nullkoppler" einsetzen, zum Bereitstellen eines Ausgangsanschlusses, von dem nicht verschobenes Licht ausgegeben wird, sowie eines anderen Ausgangsanschlusses, von dem frequenzverschobenes Licht ausgegeben wird.
Der Entwurf ist vielseitig, da die Natur des Kopplungsgebiets dann festgelegt werden kann, wenn der Kegelkoppler bzw. Taperkoppler hergestellt wird. Die Einrichtung kann bei Akustikfrequenzen von bis zu hunderten von Megahertz betrieben werden, da der Durchmesser des Kopplungsgebiets sich einfach so klein wie ungefähr 1 um (Mikrometer) herstellen läßt. Eine Einrichtung mit einem Kopplungsgebiet geringeren Durchmessers läßt sich mit höheren akustischen Betriebsfrequenzen treiben.
Vorzugsweise dann, wenn die akustische Schwingung nicht angeregt wird, wird weniger als die Hälfte des sich entlang eines der Lichtleitfasern ausbreitenden Lichts in den anderen Teil der Lichtleitfasern gekoppelt.
Obgleich Koppler eingesetzt werden können, bei denen beispielsweise zwei Fasern in der Nähe des Kerns poliert oder geätzt sind, bevor sie aneinander zum Bilden eines Kopplungsgebiets befestigt sind, wird vorgezogen, daß der Koppler ein geschmolzener optischer Faserkoppler ist.
Insbesondere wird vorgezogen, daß der geschmolzene optische Faserkoppler ein geschmolzener Taper-Null-Koppler ist, wodurch dann, wenn die Biegeschwingung nicht erregt wird, im wesentlichen kein Teil des sich entlang einer der Lichtleitfasern ausbreitenden Lichts in den anderen Teil der Lichtleitfasern gekoppelt wird. Nullkoppler werden allgemein durch unähniche Fasern gebildet, und sie weisen ein Übertragungsverhältnis von im wesentlichen Null über einen Bereich der Betriebswellenlängen und Kopplungsgebietlängen auf, wohingehend sie dahin tendieren, nicht die übliche periodische Variation der Kopplungsverhältnisse mit diesen Größen zu zeigen. Tatsächlich ist es während der Herstellung ein Indiz dafür, daß ein Nullkoppler hergestellt wurde. Zu den Eingangsanschlüssen zugeführtes Testlicht wird bei den Ausgangsanschlüssen überwacht, und ein Nullkoppler ist dann hergestellt, wenn das detektierte Kopplungsverhältnis im wesentlichen Null ist und im wesentlichen unabhängig von einer Erhöhung der Länge des Kopplungsgebiets, trotz der Tatsache, daß die zwei Fasern bei einem Kopplungsgebiet enger als jede Faser miteinander verschmolzen sind.
Wird die akustische Schwingung in diesem Fall angewandt, so läßt sich zumindest ein Teil des Lichts, das an eine Faser angekoppelt wird, in einem Übertragungsmodus koppeln, der der anderen Faser entspricht. Hierdurch läßt sich erreichen, daß frequenzverschobenes und nicht verschobens Licht die Einrichtung an unterschiedlichen Ausgangsanschlüssen verläßt. Demnach sind keine Moduskonverter oder Filter zum Trennen verschobener und nicht verschobener Wellen erforderlich; jedwedges Verbleiben des nicht verschobenen Lichts läßt sich so ausbilden, daß es von der Faser ausgeht, in die das Licht abgegeben wurde.
Es wird bevorzugt, daß das Kopplungsgebiet einen engeren Querschnitt als jede von den ersten und zweiten Lichtleitfasern aufweist. Hierdurch läßt sich das Licht durch die Mantel-Luft-Schnittstelle führen, anstelle der Kern- Mantel-Schnittstelle von jeder oder irgendeiner der Fasern.
Ein vorteilhafter bequemer Weg zum Herstellen eines Nullkopplers besteht im Einsatz optischer Fasern mit unterschiedlichen Querschnittsbereichen. Dies können demnach nicht abgestimmte Fasern sein; jedoch können alternativ eine, beide oder alle anfänglich identischen Lichtleitfasern vorbehandelt werden (beispielsweise durch eine Vorummantelung oder Verlängerung, ein Ätzen oder Polieren), bevor der Koppler hergestellt wird, derart, daß die Vorbehandlung die optischen Eigenschaften des Kopplungsgebiets ändert.
Vorzugsweise ist der Koppler (wie im Fall eines Nullkopplers) so ausgebildet, daß sich in das Kopplungsgebiet von der ersten oder zweiten optischen Faser ausbreitendes Licht einen jeweiligen Übertragungsmodus in dem Kopplungsgebiet erregt und der erregte Übertragungsmodus dieser Lichtleitfaser zugeordnet ist. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal, das den Einsatz der Einrichtung als Schalter- bzw. Vermittlungsstelle vereinfacht, besteht darin, daß sich in jedem Übertragungsmodus in dem Kopplungsgebiet ausbreitendes Licht vorwiegend von einem zugeordneten Ausgangsanschluß des Kopplers in Zuordnung zu diesem Übertragungsmodus ausgeht.
Zum Vermeiden nicht erwünschter akustischer Reflektionen entlang der Fasern wird vorgezogen, daß einer oder mehrere akustische Absorptionsbefestigungsblöcke an den optischen Fasern angebracht sind, bei jeweiligen Positionen beabstandet zu dem Kopplungsgebiet.
Aus ähnlichen Gründen wird auch vorgezogen, daß mindestens ein Teil von mindestens einer der Lichtleitfasern eine akustisch absorbierende Ummantelung aufweist.
Aus Kompatibilitätsgründen mit vielen momentan vorliegenden optischen (und anderen) Kommunikationssystemen wird vorgezogen, das mindestens eine der Lichtleitfasern eine Einfachmodus-Lichtleitfaser ist.
Es wird bevorzugt, daß die Vorrichtung zum Erregen einen Schwingungstransducer aufweist, der zum Inschwingungsetzen in Ansprechen auf ein elektrisches Schwingungssignal, angewandt durch den Transducer, betreibbar ist. Obgleich beispielsweise die Schwingungen durch einen magnetischen Transducer in Interaktion mit einem magnetischen oder metallischen Element erregt werden könnten, oder durch eine Ummantelung in Zuordnung zu den Fasern, wird vorgezogen, daß der Schwingungstransducer ein piezoelektrischer Transducer ist. Vorzugsweise liegen die durch den Transducer erzeugten Schwingungen an der ersten Faser und der zweiten Faser bei einem Verbindungsgebiet beabstandet zu dem Kopplungsgebiet an.
Damit ein Transducer wirksam eingesetzt werden kann, der größer als die Lichtleitfasern ist, wird vorgezogen, daß die Vorrichtung zum Erregen ein kegelförmiges Übertragungselement zum Verbinden des Transducers und des Verbindungsgebiets enthält.
Vorzugsweise weist das Kopplungsgebiet einen im wesentlichen einheitlichen Querschnitt entlang mindestens eines Teils der Länge des Kopplungsgebiets auf. Jedoch kann bei anderen Ausführungsformen der Querschnitt des Kopplungsgebiets so ausgebildet sein, daß er vorsätzlich (beispielsweise unter stetiger Reduzierung) variiert, zum Verbreiten oder "Verschmieren" des Frequenzverhaltens der akusto-optischen Einrichtung.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Modi für die Übertragung von Licht in dem Kopplungsgebiet durch eine räumlich jedoch nicht zeitlich periodische Störung beeinflußt.
Gemäß der Erfindung wird auch eine optische Einrichtung geschaffen, wie sie in Patentanspruch 8 definiert ist.
Diese elektrostatische Einrichtung bewirkt keine Frequenzverschiebung von Eingangslicht, kann jedoch bei einer Anordnung für ein optisches Vermitteln oder Modulieren eingesetzt werden. Obgleich der Begriff "elektrostatisch" angewandt wird, ist klar, daß der Begriff lediglich das Verfahren der Wechselwirkung betrifft, die zum Erzeugen der Verzerrung des Kopplungsgebiets eingesetzt wird; der mit dem Stand der Technik vertraute Fachmann erkennt, daß das elektrische Feld schnell an- und abgeschaltet werden könnte, wenn die Einrichtung beispielsweise als Modulator eingesetzt wird.
Vorzugsweise enthält die Erzeugungsvorrichtung mindestens ein Paar von Doppelkammelektroden, die mit einer Spannungsquelle verbindbar sind.
Es wird auch bevorzugt, daß die Erzeugungsvorrichtung eine Masseebene enthält, und die Masseebene und das Paar der Doppelkammelektroden an entgegengesetzten Seiten des Kopplungsgebiets angeordnet ist. Alternativ könnten weitere Doppelkammelektroden (oder überhaupt keine) auf der anderen Seite des Kopplungsgebiets eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform läßt sich eine räumlich periodische Störung permanent dem Kopplungsgebiet aufprägen, unter Einsatz beispielsweise einer Wärmebehandlung durch einen Excimerlaser.
Vorzugsweise ist der Koppler ein 2 · 2 Koppler.
Ein Einrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz als optischer Frequenzverschieber; optisches abstimmbares Filter; optischer Schalter oder optische Vermittlungsstelle oder als optischer Modulator.
Im Rahmen dieser Erfindung wird auch eine optische Einrichtung geschaffen, enthaltend: einen Lichtleitfaser- Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser, die optisch bei einem Kopplungsgebiet an eine zweite Lichtleitfaser so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann, und eine Vorrichtung zum Übertragen von Energie zwischen den Übertragungsmodi durch eine räumlich periodische Störung mindestens eines Teils des Kopplungsgebiets; dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein geschmolzener Taper-Null-Koppler ist, wodurch bei Nichtvorliegen der räumlich periodischen Störung im wesentlichen kein Teil des sich entlang der Lichtleitfasern ausbreitenden Lichts in den anderen Teil der Lichtleitfasern gekoppelt wird.
Im Rahmen dieser Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer akusto-optischen Einrichtung geschaffen, und das Verfahren enthält die Schritte: Herstellung eines Lichtleitfaser-Richtungskopplers mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser, die optisch bei einem Kopplungsgebiet an eine zweite Lichtleitfaser so gekoppelt ist, daß sich das Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann; gekennzeichnet durch das Bereitstellen einer Vorrichtung zum Anregen einer akustischen Biegeschwingung bei mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets zum Durchführen einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi.
Im Rahmen dieser Erfindung wird auch ein Verfahren für das akusto-optische Frequenzverschieben von Licht geschaffen, und das Verfahren enthält die Schritte: Richten von Licht in einen Lichtleitfaser-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser, die optisch bei einem Kopplungsgebiet an eine zweite Lichtleitfaser so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektrischen Übertragungsmodi ausbreiten kann; gekennzeichnet durch Anregen einer akustischen Biegeschwingung bei mindestens einem Teil des Kopplungsgebiet zum Bewirken einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi. Im Rahmen der Erfindung wird auch ein Verfahren für ein optisches Vermitteln geschaffen, und das Verfahren enthält die Schritte: Richten von Licht an einen Lichtleitfaser- Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser, die optisch bei einem Kopplungsgebiet an eine zweite Lichtleitfaser so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann, Ausbreiten von Licht in jedem Modus ausgehend von mindestens vorwiegend von einem zugeordneten Ausgangsanschluß des Kopplers; und Erzeugen einer akustischen Biegungsschwingung bei mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets und Bewirken einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi.
Gemäß dieser Erfindung wird auch eine optische Vermittlungsvorrichtung geschaffen, enthaltend: einen Lichtleitfaser-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser, die optisch bei einem Kopplungsgebiet an eine zweite Lichtleitfaser so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann, derart, daß sich das in jedem Modus ausbreitende Licht mindestens vorwiegend von einem zugeordneten Ausgangsanschluß des Kopplers ausbreitet; und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer akustischen Biegeschwingung bei mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets zum Bewirken einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi.
Gemäß dieser Erfindung wird auch eine optische Einrichtung geschaffen, enthaltend: einen Lichtleitfaser-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser, die optisch bei einem Kopplungsgebiet an eine zweite Lichtleitfaser so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann; und eine Vorrichtung zum Übertragen von Energie zwischen den Übertragungsmodi durch Erzeugen eines räumlich periodischen elektrischen Felds, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Kopplungsgebiets mit einer permanenten elektrischen Ladung geladen ist; und das elektrische Feld mit der permanenten elektrischen Ladung wechselwirkt, zum Auslösen räumlich periodischer Störungen an mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets.
Es ist zu erkennen, daß bevorzugte Merkmale der Erfindung, die in der vorliegenden Anmeldung im Zusammenhang mit der Einrichtung selbst beschrieben sind, in gleicher Weise auf andere Aspekte oder Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar sind, und vice-versa. Ähnlich sind bevorzugte Formen des Kopplers, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform (z. B., der oben beschriebenen akustooptischen Ausführungsform) beschrieben sind, ebenso auf andere Ausführungsformen (beispielsweise die oben beschriebene elektrostatische Ausführungsform) anwendbar.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird lediglich beispielhaft in Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, und hierbei werden durchgehend gleiche Teile anhand derselben Bezugszeichen bezeichnet; es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer akusto-optischen Einrichtung;
Fig. 2a und 2b schematische Diagramme zum Darstellen des Betriebs sogenannter "Null"-Lichtleitfaser-Koppler;
Fig. 3a und 3b schematische Diagramme zum Darstellen des Betriebs der in Fig. 1 gezeigten akusto-optischen Einrichtung;
Fig. 4 einen Graphen zum Darstellen der optischen Ausgangsgröße dargestellt gegenüber der Spannung des Hochfrequenz-(HF)-Signalgenerators für eine akusto-optischen Prototypeinrichtung;
Fig. 5 einen Graphen zum Darstellen des Spektrums eines detektierten Überlagerungssignals während Tests der akusto-optischen Prototpyeinrichtung;
Fig. 6 und 7 das Ausgangsspektrum der akusto-optischen Prototypeinrichtung bei Abgabe von nichtpolarisiertem weißen Licht an die Einrichtung;
Fig. 8 eine schematische Planansicht einer zweiten Ausführungsform einer optischen Einrichtung; und
Fig. 9 eine schematische Seitenansicht der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform.
Nun ist unter Bezug auf die Fig. 1 zu erkennen, daß eine akusto-optische Einrichtung einen Lichtleitfaser- Richtungskoppler enthält, bei dem zwei optische Fasern 10, 20 bei einem Kopplungsgebiet 30 gekoppelt sind. Der Koppler ist ein sogenannter geschmolzener Kegel-Null-Koppler bzw. Taper- Null-Koppler, der nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 2a und 2b beschrieben wird.
Ein piezoelektrischer keramischer Scheiben-Transducer 20 (alternativ als ein "PZT"-Element, piezo-electric ceramic disc transducer) bezeichnet, wird zum Erzeugen einer Schwingung durch einen Hochfrequenz-(HF)-Signalgenerator 50 getrieben. Die Schwingungen des Transducers 40 werden an die Lichtleitfasern 10, 20 über einen konischen (oder kegelförmigen) Aluminium-Konzentrationstrichter 60 abgegeben, der mit Epoxidharz an den Transducer 40 geklebt ist und an den Lichtleitfasern 10, 20 beabstandet zu dem Kopplungsgebiet 30 durch eine kleine Verbindung (nicht gezeigt) angebracht ist, gebildet durch einen bei ultravioletter Strahlung aushärtenden Klebstoff. Die Schwingungen des Transducers 40, konzentriert durch den Trichter 60, bewirken eine Biegeschwingung der Lichtleitfasern 10, 20 und insbesondere des Kopplungsgebiets 30. Die Schwingungen werden im wesentlichen durch die Montierblöcke 70 absorbiert, wodurch eine unerwünschte Reflektion der Schwingungen entlang der Lichtleitfasern 10, 20 vermieden wird. Ein akustisch absorbierender Puffermantel kann auch bei den Fasern 10, 20 beabstandet zu dem Kopplungsgebiet 30 angewandt werden.
Die Fig. 2a und 2b zeigen den Betrieb eines Null-Kegel- Kopplers.
Ein geschmolzener Taper-Koppler oder Strahlteiler wird durch Erwärmen und Dehnen zweiter paralleler Lichtleitfasern zusammen in einer kleinen Flamme hergestellt. Allgemein wird ein Teil des in den Koppler bei einer Faser eintretenden Lichts zu der anderen Faser übersprech-gekoppelt (die gekoppelte Welle), wohingehend der Rest in der ersten Faser verbleibt (die Durchsatzwelle).
Ist der Koppler aus einem Paar identischer Einmodusfasern hergestellt, so ist jedes Überkopplungsverhältnis (die Menge des von einer Faser zu der anderen oder zu den anderen übertragenen Lichts) von im wesentlichen 0% bis maximal im wesentlichen 100% möglich. Mit verschiedenen Fasern wie Fasern mit unterschiedlichen Querschnittsbereichen (oder wenn eine oder beide von zwei anfänglich identischen Fasern vorbehandelt werden, beispielsweise durch eine Vorummantelung oder Verlängerung, ein Ätzen oder Polieren, bevor der Koppler hergestellt wird), kann das maximale Übersprechkoppeln vorsätzlich niedriger als 100% ausgebildet sein. Ein idealer Nullkoppler ist einer, bei dem die Fasern so unähnlich sind, daß das maximale Übersprechkoppelverhältnis im wesentlichen Null über einen weiten Bereich von Wellenlängen ist; d. h., der passive Koppler funktioniert in keiner Weise als ein Strahlteiler.
In anderen Worten ausgedrückt, sind Nullkoppler allgemein aus verschiedenen Fasern hergestellt und sie weisen ein im wesentlichen zu Null bestimmtes Übertragungsverhältnis über einen Bereich der Betriebswellenlängen und Kopplungsgebietlängen auf, wohingehend sie dazu tendieren, nicht die übliche periodische Veränderung der Kopplungsverhältnisse mit diesen Größen zu zeigen. Tatsächlich ist dies eine Anzeige während der Herstellung dahingehend, daß ein Nullkoppler hergestellt wurde; zu den Eingangsanschlüssen zugeführtes Testlicht wird bei den Ausgangsanschlüssen überwacht, und ein Nullkoppler ist dann hergestellt, wenn das detektierte Kopplungsverhältnis im wesentlichen Null ist und im wesentlichen unabhängig von einer Erhöhung der Länge des Kopplungsgebiets, trotz der Tatsache, daß zwei Fasern bei einem Kopplungsgebiet schmaler als jede Faser verschmolzen sind.
Die Vorbehandlung der Faser muß nicht notwendigerweise die optische Eigenschaften der Faser ändern, bevor sie bei der Herstellung der Kopplers eingesetzt wird. Jedoch ändert die Vorbehandlung die gegebenenfalls vorliegenden optische Eigenschaften des Kopplungsgebiets, nachdem der Koppler hergestellt ist.
Zum Erläutern des Betriebs eines Nullkopplers ist ein Beispiel eines Nullkopplers in den Fig. 2a und 2b dargestellt, bei denen zwei Lichtleitfasern 110, 120 bei einem schmalen Kopplungsgebiet (der Kopplerteile) 130 gekoppelt sind. Der während der Herstellung des Kopplers durchgeführte Dehnbetrieb führt dazu, daß der Durchmesser des Kopplungsgebiets sehr viel kleiner als der Faserdurchmesser beabstandet zu dem Kopplungsgebiet ist.
Das Kopplungsgebiet 130 unterstützt mindestens zwei Lichtübertragungsmodi, dargestellt in Fig. 2a und 2b anhand unterschiedlicher schematischer Felddarstellungen in dem Kopplungsgebiet. Da der Durchmesser des Kopplungsgebiets gering ist, werden diese Modi im wesentlichen durch die Mantel/Luft-Schnittstelle eingeschränkt, anstelle daß sie durch den Faserkern eingeschränkt sind. Bei einem Nullkoppler erfolgt die Abgabe von Licht in einer Faser 110 adiabatisch in dem Grundmodus der Kopplertaille 130 (Fig. 2a), bzw. in das Kopplermittelstück bzw. in der Kopplerbauch 130 (Fig. 2a), und es kehrt zu dersselben Faser 110 bei dem fernliegenden Ende des Kopplers zurück. Ähnlich tritt Licht in die andere Faser 120 im zweiten Modus bei dem Mittelstück (Fig. 2b) ein, und es geht von derselben Faser 120 aus.
Bei der vorliegenden Ausführungsform treten akusto-optische Wechselwirkungen in dem schmalsten Mittelstück eines kegelförmigen Einmodus-Faserkopplers auf. Das Kegelmittelstück wirkt als Multimodus-Wellenleiter, zum Unterstützen mindestens zwei Übertragungsmodi, die die Faser füllen.
Die Fig. 3a und 3b zeigen schematische Diagramme zum Darstellen der Kopplung von Licht von einem Modus zu einem anderen in dem Kopplungsgebiet 130 des Kopplers, der in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist.
Wie in Fig. 3a gezeigt, tritt in der Abwesenheit einer akustischen Biegeschwingung Licht, das in die Fasern (z. b., der Faser 110) abgegeben wird, unverändert von derselben Faser 110 aus. In anderen Worten ausgedrückt, ist der Betrieb, der in Fig. 3a gezeigt ist, identisch zu demjenigen, der in der Fig. 2a oben gezeigt ist.
Trotz des Fehlens der Wechselwirkung zwischen den Lichtwellen in den beiden Fasern, durchdringen sie sich stark wechselseitig und überlappen in dem Kopplermittelstück. Eine fortschreitende akustische Biegeschwingung kann eine Resonanzvorwärtskopplung zwischen den Grund- und Seitenmodi des Kopplermittelstücks bewirken, mit einer Frequenzverschiebung dann, wenn die Überlagerungslänge der zwei Modi auf die akustische Wellenlänge abgestimmt ist.
Die zwei Modi schreiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang dem Kopplungsgebiet voran, unter Aufbau einer räumlichen Überlagerung zwischen den zwei Modi entlang der Länge des Kopplungsgebiets. Ist die "Überlagerungslänge" auf die Wellenlänge einer bei dem Kopplungsgebiet anliegenden Biegeschwingung abgestimmt, so erfolgt eine Resonanzkopplung von Licht von einem der Modi in den anderen, derart, daß auch eine Frequenzverschiebung stattfindet.
In anderen Worten ausgedrückt, läßt sich dann, wenn eine akustische Biegeschwingung anliegt, in das Kopplungsgebiet in dem Grundmodus eintretendes Licht in den zweiten Modus (und umgekehrt) mit einer Frequenzverschiebung koppeln. Dieser Prozeß ist schematisch in Fig. 3b dargestellt.
Es liegt eine im wesentlichen vollständige Überlagerung zwischen den akustischen und optischen Wellen vor, und demnach ist eine sehr niedrige akustische Energie erforderlich. Dies steht im Gegensatz zu den früher vorgeschlagenen akusto-optischen Lichtleitfaser- Einrichtungen, die zuvor beschrieben sind.
Der Entwurf ist vielseitig, da sich die Art des Kopplungsgebiets 130 dann festlegen läßt, wenn der Taper- Koppler hergestellt wird. Die Einrichtung läßt sich bei akustischen Frequenzen von bis zu 100 MHz betreiben, da sich der Mittelstückdurchmesser mit einer Größe so klein wie ungefähr 1 um (Mikrometer) herstellen läßt.
Licht in den beiden Übertragungsmodi tritt über unterschiedliche Fasern aus; d. h., daß verschobene und unverschobene Wellen von unterschiedlichen Anschlüssen austreten. Keine Modusumsetzer oder Filter sind demnach zum Trennen verschober oder nichtverschobener Wellen erforderlich; jedes zurückbleibende nichtverschobene Licht tritt von der Faser aus, in die das Licht abgegeben wurde. Die Fig. 4 bis 7 zeigen die Testergebnisse, die mit einer akusto-optischen Prototyp-Einrichtung der oben beschriebenen Form erzielt wurden.
Die akusto-optische Prototyp-Einrichtung wurde für den Einsatz bei einer Wellenlänge (λ) von 633 nm (Nanometer) konstruiert, unter Einsatz eines Paars unähnlicher Silikafasern mit Durchmessern von 60 um und 80 um, Grenzwellenlängen von 500 nm und 650 nm und numerischen Aperturen von jeweils 0,26 und 0,21. Die zweite dieser Fasern ist vom Nichteinfachmodustyp bei 633 nm, so daß für den Zweck des Testens der Prototypeinrichtung Licht lediglich in die zuerst erwähnte Faser abgegeben wurde. Jedoch könnten andere Einrichtungen konstruiert werden, bei denen beide Fasern vom Einfachmodustyp bei den interessierenden Wellenlängen sind.
Die Fasern wurden parallel zusammengehalten und anschließend erwärmt und zusammen in einer fortschreitenden Oxy- Butanflamme gedehnt. Der sich abschließend ergebende Mittelstückabschnitt des Kopplungsgebiets war ungefähr 25 mm (Millimeter) lang, mit im wesentlichen einheitlichem Querschnitt, und er wies einen Durchmesser von ungefähr 6 um (Mikrometern) auf, mit kurzen Kegelübergängen mit einer Länge von ungefähr 25 mm. Diese Abmessungen wurden in Übereinstimmung mit üblichen Kopplerherstellungstechniken gesteuert, durch Variieren der Fortbewegungsdistanz der Flamme während der Kopplerausdehnung. Die Herstellung von Kopplern durch diese Technik und insbesondere das Steuern der Abmessungen des Kopplungsgebiets sind in dem Artikel "Die Form von Faser-Taper-Einheiten" (Journal of Lightwave Technology, Bd. 10, Nr. 4, April 1992, Seiten 432 bis 438) beschrieben.
Der Querschnitt des Mittelstücks war im wesentlichen kreisförmig; dies führt zu einer guten Überlappung zwischen den zwei optischen Modi, ist reproduzierbar und ähnelt dem Mittelstück einer Faser mit einem Kegel (mit derselben Resonanzgleichung).
Der Querschnitt des Mittelstücks war im wesentlichen entlang der Länge des Kopplungsgebiets einheitlich. Jedoch könnte auch ein nichteinheitliches Mittelstück eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Querschnitt des Kopplungsgebiets absichtlich so hergestellt werden, daß er variiert (z. B., unter fortlaufendem Reduzieren), zum Verbreitern oder "Verschmieren" des Frequenzverhaltens der akusto-optischen Einrichtung.
Der Überschußverlust der Prototyp-Einrichtung betrug 0,1 dB und das maximale übersprechkopplungsverhältnis betrug 1 : 400.
Wie oben beschrieben, wurde eine akustische Biegeschwingung in dem Kopplermittelstück unter Einsatz einer PZT-Scheibe mit einem Konzentriertrichter erregt, der durch ein verstärktes HF-Signal getrieben wird. Der Trichter war in dem Paar der Fasern oder Kegelform bei einem Ende des Kopplers so angeschlossen, daß die Ebene der akustischen Welle mit der beiden Fasern in dem Koppler gemeinsamen Ebene übereinstimmte. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß die akustische Energie tendenziell fokussiert ist, während sie in das Taper-Mittelstück fortschreitet.
Licht bei 633 nm von einem polarisierten HeNe-(Helium-Neon)- Laser wurde in eine Eingangsphase des Kopplers abgegeben, über einen üblichen Lichtleitfaser-Polaristationscontroller. Die von den zwei Ausgangsfasern ausgehende optische Energie wurde überwacht, wohingehend eine Resonanz durch Ändern der Frequenz der HF-Versorgung gesucht wurde. Für die Prototyp- Einrichtung wurde eine akusto-optische Resonanz für die akustische Frequenz bei 1.851 MHz gefunden.
Die Fig. 4 zeigt einen Graphen zum Darstellen der optischen Ausgangsgröße, dargestellt gegen die HF- Signalgeneratorspannung (diese Spannung ist gemäß einem Spannungsvertärkungswert von 500 vor dem Einsatz zum Treiben des Transducers 40 verstärkt). In der Fig. 4 stellt eine Kurve 400 (durchgezogene Kreise) die "Durchsatz"-optische Ausgangsgröße dar (Licht, das von der Einrichtung in derselben Faser ausgeht, wie der Faser, bei der das Licht an die Einrichtung abgegeben wurde) und eine Kurve 410 (durchgezogene Quadrate) zeigt die "gekoppelte" optische Ausgangsgröße (Licht, das von einer Faser zu der anderen durch die Einrichtung gekoppelt wird). Beide Kurven 400, 410 betreffen eine Eingabe mit einem Polarisationszustand; die zugeordnete Ausgangsgröße für einen orthogonalen Zustand sind jeweils durch Kurven 420 (offene Kreise) und 430 (offene Quadrate) dargestellt.
Durch geeignete Polarisationssteuerung wurde eine über 99% liegende akusto-optische Kopplung in die zweite Phase durch die Prototypeinrichtung erzielt. Obgleich eine der in der Prototypeinrichtung eingesetzten Faser nicht vom Einmodustyp war, wurde festgestellt, daß das gekoppelte Licht in seinen Grundmodus geführt wurde. Die für die maximale Kopplung erforderliche HF-Energie war so niedrig wie 1 mW, was viel weniger ist, als bei bekannten Frequenzverschiebern. Der theoretische untere Grenzwert der erforderlichen Akustischen Energie ist 170 nW.
Die durch die Prototypeinrichtung erzielte Frequenzverschiebung wurde durch Einfügen der Einrichtung (unter Heranziehen der Ausgangsgröße von der zweiten Faser) in einen Arm eines Mach-Zehnder-Interferometers gemessen. Eine Bragg-Zelle wurde in den anderen Arm eingesetzt, um das Licht um 80 MHz nach oben zu verschieben (Frequenzverschiebung). Ein Überlagerungssignal wurde detektiert, und mit einem HF-Spektrum-Analysator überwacht.
Die Fig. 5 zeigt ein Spektrum des detektierten Überlagerungssignals zwischen dem Licht, das durch die Prototypeinrichtung ausgegeben wird, und dem Licht, das in einer Bragg-Zelle um 80 MHz nach oben verschoben wird. Die Hauptüberlagerungskomponente ist in der Nähe von 82 MHz sichtbar, gemäß einer Frequenzabwärtsverschiebung gleich der akustischen Frequenz. Ebenso sind über dem Rauschgrundanteil Überlagerungskomponenten sichtbar, mit der Trägerfrequenz (80 MHz) und dem Bildseitenband (in der Nähe von 78 MHz). Diese liegen beide im Hinblick auf den Pegel ungefähr 30 dB unterhalb der Hauptkomponente. Die Reinheit dieser Ausgangsgröße war geringfügig verändert, wenn die Treiberspannung gegenüber dem Wert für die Maximalumsetzung reduziert wurde, obgleich selbstverständlich die Gesamtmenge an Licht absank. Die Ausgangsgröße von der ersten Phase war nicht verschoben, wie erwartet.
Zum Messen des Verhaltens der Einrichtung als optisches Filter wurde nichtpolarisiertes weißes Licht in die Eingangsfaser abgegeben, und die Ausgangsgröße wurde einem optischen Spektrum-Analysator zugeführt. Die normierten Leistungsspektren, erhalten für eine akustische Frequenz von 1.860 MHz, sind in Fig. 6 (Durchgangslicht) und 7 (Licht mit Übersprechen) dargestellt.
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Spektren sind komplementär, wie anhand der Anforderungen für die Energieerhaltung zu erwarten; die Einrichtung wirkt als ein Kerbfilter in dem Durchgangspfad und als ein Bandpaßfilter in dem angekoppelten Pfad. Der Grund für die Struktur des Spektrums mit drei Spitzen wird in den Polarisationseigenschaften des zweiten Modus gesehen. Die 10 um Breite jedes Spitzenwerts ist größer als die erwartete Breite von 3,5 nm. Eine in Längsrichtung vorliegende Uneinheitlichkeit von 0,02 um bei dem Durchmesser des Kopplermittelstücks reicht für die Handhabung dieser Tatsache aus.
In anderen Worten ausgedrückt, stellen die Fig. 6 und 7 die Art dar, gemäß der die akusto-optische Einrichtung als abstimmbares Filter wirken kann. Das Zentrum der Spitzen und Wannen (Kerben) in den Fig. 6 und 7 hängt von der angewandten akustischen Frequenz ab. Demnach enthält ein abstimmbares optisches Filter eine akusto-optische Einrichtung derart, daß der Transducer durch einen HF-Signalgenerator variabler Frequenz getrieben wird.
Die akusto-optische Einrichtung kann leicht als Frequenzverschieber eingesetzt werden, da bei der oben beschriebenen Ausführungsform im Hinblick auf die Frequenz verschobenes Licht von einem zugewiesenen Ausgangsanschluß ausgeht. Wird die akustische Schwingung an- und abgeschaltet, so zeigen sich bei den jeweils verschobenen und nicht verschobenen Ausgangsgrößen von der Einrichtung zugeordnete Änderungen der Intensität (d. h., die Einrichtung arbeitet als optischer Schalter). Wird die akustische Schwingung moduliert, so sind auch die Ausgangsgrößen der Einrichtung ebenso moduliert, so daß die Einrichtung als ein optischer Modulator funktioniert.
Es sind Frequenzverschiebungen von mehreren hundert MHz mit Ausführungsformen der Erfindung durch Einsatz eines schmaleren Kopplermittelteils möglich. Der Einsatz bei Kommunikationswellenlängen ist leicht durch geeignete Wahl eines Paars von Fasern möglich. Eine Einrichtung mit vier identischen Einfachmodusanschlüssen ist möglich, beispielsweise durch Vorbehandlung (wie oben beschrieben) von einem oder beider Paare identischer Fasern vor der Kopplerherstellung, damit das Paar ausreichend unähnlich hergestellt wird, zum Erzielen eines Null-Kopplers. Mehrfachfasern anstelle lediglich eines Paars von Fasern lassen sich in einen geschmolzenen Mehrfachanschluß-Taper- Koppler ausbilden und gemäß einer weiteren Ausführungsform einer akusto-optischen Einrichtung einsetzen.
Es ist nicht erforderlich, einen Nullkoppler bei den Ausführungsformen der Erfindung einzusetzen. Beispielsweise kann dann, wenn ein Standard 2 · 2 Richtungskoppler, hergestellt aus identischen Fasern, eingesetzt wird, die akustische Schwingung eine Oszillationsausgangsgröße zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen bei dem Doppelten der akustischen Frequenz bewirken. Der Modulationseffekt tritt auf, da zwei Übertragungsmodi in dem Kopplungsgebiet angeregt werden; die akustische Schwingung kann eine schnelle Energieübertragung zwischen den Modi bewirken, mit komplementären Frequenzverschiebungen (aufwärts und abwärts) für das Licht in den beiden Modi. Eine temporäre Überlagerung tritt dann zwischen diesen frequenzverschobenen Ausgangsgrößen auf.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen nützen einen akustischen Transducer zum Beaufschlagen einer Störung auf das Kopplungsgebiet, die sowohl im Hinblick auf den Raum als auch die Zeit periodisch ist. Jedoch läßt sich die Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi in dem Kopplungsgebiet erhalten, indem lediglich eine räumlich periodische Störung auf das Kopplungsgebiet eingeprägt wird.
Die Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellen einer Technik zum Einprägen einer räumlich periodischen Störung auf das Kopplungsgebiet ohne Einsatz einer sich zeitlich periodisch ausbreitenden oder stehenden akustischen Welle.
Gemäß der Fig. 8 ist das Kopplungsgebiet 30 eines oben beschriebenen Kopplers an einer Seite eines Paars von Doppelkammelektroden 500, 510 positioniert, die mit im Hinblick auf die Polarität entgegengesetzten Anschlüssen einer schaltbaren DC-(Gleichstrom)-Spannungsquelle verbunden sind. An der anderen Seite des Kopplungsgebiets, d. h. unter dem Kopplungsgebiet, so wie das Gerät in Fig. 8 dargestellt ist), liegt entweder eine Masseebene oder ein komplementäres Paar von Doppelkammerelektroden ähnlich zu den Elektroden 500, 510 vor. Die Relativpositionen der Elektroden 500, 510 des Kopplungsgebiets 30 des Fahrzeugkopplers und der weiteren Elektroden oder Massenebene 520 sind schematisch in einem Seitenriß in Fig. 9 gezeigt.
Das Kopplungsgebiet 30 ist zum Anlegen einer im wesentlichen permanenten elektrischen Ladung oder "Electret"-Ladung an die Faser behandelt. Der permanente elektrische Ladung kann jede Polarität aufweisen. Die Anwendung permanenter elektrischer Ladungen auf optische Fasern ist in der Referenz "Optische Faser - Electrete: Beobachtung einer elektro-akustischen Wandlung", Electronics Letters 30, Seite 1436, 1994, beschrieben.
Die Elektroden 500, 520 und die weiteren Elektroden oder die Masseebene 520 erzeugen ein räumlich periodisch, jedoch zeitlich statisches elektrisches Feld entlang der Länge des Kopplungsgebiets 30, solange die Elektroden an die DC- Spannungsguelle angeschlossen sind. Dieses Feld zieht entweder Abschnitte der Faser an oder stößt diese ab, abhängig von der Polarität des elektrischen Felds, und zwar bei jedem Punkt entlang der Faser und derart, daß die Faser periodisch entlang ihrer Länge verdreht oder gewellt ist.
Die Elektroden 500, 510 sind mit einer Beabstandung 530 in der Größenordnung von 2 mm zwischen angrenzenden Doppelkammelementen jeder Elektrode angeordnet. Dies führt zu einer periodischen zeitlichen Störung des Kopplungsgebiets mit einer Periode, die im wesentlichen gleich der Elektrodenbeabstandung ist. Die Störung läßt sich lediglich durch Energieversorgung der Elektroden 500, 510 an- und abschalten.
Eingangslicht wird von einem Übertragungsmodus zu dem anderen Modus dann gekoppelt, wenn die periodische Störung vorliegt, so daß der Koppler dann als ein elektrisch gesteuerter optischer Schalter wirken kann, der Licht zu jedem der Ausgangsanschlüsse unter Steuerung der Elektrodenspannung richtet.
Ein Beispiel für eine Gruppe von Parametern für den Einsatz bei der Einrichtung nach Fig. 8 und 9 lautet wie folgt:
Länge des Kopplungsgebiets (Kopplermittelstück- oder Wechselwirkungslänge): 50 mm
Eingesetzte optische Wellenlänge: 633 nm
Durchmesser eines Kopplungsgebiets (unter Annahme einer im wesentlichen einheitlichen Ausbildung): 20 um
An den Elektroden 500, 510 anliegende Spannung: 110 Volt
Gesamte permanente elektrische Ladung bei dem Kopplungsgebiet: 8.3 · 10&supmin;¹¹ Coulomb.
Diese Werte beruhen auf der Annahme, daß die Einrichtung in einem Vakuum betrieben wird, derart, daß die Elektroden 500, 510 so nahe wie möglich an dem Fahrzeugkopplungsgebiet plaziert sind.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform könnte das Kopplungsgebiet permanent durch eine Wärmebehandlung, beispielsweise mit Hilfe einer Excimerlasers, verzerrt sein. Die Wärmebehandlung umfaßt das Richten der Laserausgangsgröße auf regulär beabstandete Punkte entlang der Kopplungsgebiet und es führt wirksam zu einer Verwerfung von Abschnitten des Kopplungsgebiets zum Bilden einer räumlich periodischen Störung des Kopplungsgebiets. Diese Anordnung würde zu einem Koppler mit einer frequenzabhängigen Ausgangsgröße bei jedem Ausgangsanschluß führen (d. h. einem Filter oder einem Demultiplexer), jedoch wäre im Gegensatz zu den oben beschriebenen akustischen und elektrostatischen Einrichtungen die Ausgangsgröße nicht zeitlich schaltbar.
Im Ergebnis führen die Ausgangsformen der Erfindung zu einem einfachen und vielseitigen Entwurf eines Frequenzverschiebers mit niedriger Energie, der sich einfach mit vier Einfachmodus-Faseranschlüssen herstellen läßt.

Claims

1. Optische Einrichtung, enthaltend:

einen Lichtleitfaser-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (10), die optisch mit einem Kopplungsgebiet (30) an eine zweite Lichtleitfaser (20) so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi fortpflanzen kann; gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (40, 50, 60) zum Übertragen von Energie zwischen den Übertragungsmodi durch Erregung einer akustischen Wiegeschwingung in mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen oder mehrere akustisch absorbierende Montierblöcke (70) enthält, die an den Lichtleitfasern bei zugeordneten Positionen beabstandet zu dem Kopplungsgebiet angebracht sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil mindestens einer der Lichtleitfasern eine akustisch absorbierende Beschichtung aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erregen einen Vibrationstransducer (40) enthält, der betriebsgemäß in Ansprechen auf ein an dem Transducer anliegendes elektrisches Oszillationssignal vibriert.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrations-Transducer ein piezoelektrischer Transducer ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch · gekennzeichnet, daß die durch den Vibrations-Transducer erzeugten Schwingungen an der ersten Faser und an der zweiten Faser bei einem Verbindungsgebiet angeordnet beabstandet zu dem Kopplungsgebiet anliegen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erregen ein kegelförmiges Übertragungselement (60) zum Verbinden des Vibrations-Transducers und des Verbindungsgebiets enthält.

8. Optische Einrichtung, enthaltend:

einen Lichtleitfaser-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (10), die optisch bei einem Kopplungsgebiet (30) an eine zweite Lichtleitfaser (20) so gekoppelt ist, daß sich Licht in das Kopplungsgebiet mit mindestens zwei elektromagnetischen Transmissionsmodi ausbreiten kann; und

eine Vorrichtung (500, 510, 520) zum Übertragen von Energie zwischen den Übertragungsmodi und Erzeugen eines räumlich periodischen elektrischen Felds; dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens ein Teil des Kopplungsgebiets mit einer permanenten elektrischen Ladung geladen ist; und

das elektrische Feld mit der permanenten elektrischen Ladung interagieren kann, damit eine räumlich periodische Störung mindestens eines Teils des Kopplungsgebiets erzielt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsvorrichtung mindestens ein Paar von Doppelkamm-Elektroden (500, 520) enthält, die mit einer Spannungsquelle verbindbar sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsvorrichtung eine Masseebene (520) enthält, derart, daß die Masseebene und das Paar der Doppelkamm- Elektroden (500, 510) an entgegengesetzten Seiten des Kopplungsgebiets angeordnet sind.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein geschmolzener optischer Faserkoppler ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei abgeschalteter Übertragungsvorrichtung weniger als die Hälfte des sich entlang der Lichtleitfasern ausbreitenden Lichts in die andere der Lichtleitfasern gekoppelt wird.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der geschmolzene optische Faserkoppler ein geschmolzener Kegel-Null-Koppler ist, wodurch bei abgeschalteter Übertragungsvorrichtung im wesentlichen kein Licht, das sich entlang einer der Lichtleitfasern ausbreitet, in die andere der Lichtleitfasern gekoppelt wird.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Lichtleitfaser unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.

15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt bei mindestens der ersten oder zweiten Lichtleitfaser vorbehandelt ist, bevor der Koppler hergestellt wird, derart, daß die Vorbehandlung die optischen Eigenschaften des Kopplungsgebiets ändert.

16. Optische Einrichtung, enthaltend:

einen Lichtleitfaser-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (10), die optisch bei einem Kopplungsgebiet (30) an eine zweite Lichtleitfaser (20) so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann, und

eine Vorrichtung (40, 50, 60) zum Übertragen von Energie zwischen den Übertragungsmodi durch eine räumlich periodische Störung mindestens eines Teils des Kopplungsgebiets;

dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein geschmolzener Kegel-Null-Koppler ist, wodurch bei Nichtverlegen der räumlich periodischen Störung im wesentlichen kein Licht, das sich entlang einer der Lichtleitfasern ausbreitet, in die andere der Lichtleitfasern gekoppelt wird.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Lichtleitfaser unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.

18. Einrichtung nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt bei mindestens der ersten oder zweiten Lichtleitfaser vorbehandelt ist, bevor der Koppler hergestellt ist, derart, daß die Vorbehandlung die optischen Eigenschaften des Kopplungsgebiets ändert.

19. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Licht, das sich entlang dem Kopplungsgebiet von der ersten oder zweiten Lichtleitfaser ausbreitet, einen zugeordneten Übertragungsmodus in dem Kopplungsgebiet anregt, derart, daß der angeregte Übertragungsmodus demjenigen der Lichtleitfaser zugeordnet ist.

20. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Licht, das sich in jedem Übertragungsmodus des Kopplungsgebiets ausbreitet, vorrangig von einem zugeordneten Ausgangsanschluß des Kopplers in Zuordnung zu diesem Übertragungsmodus ausgeht.

21. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Lichtleitfasern eine Einfachmodus-Lichtleitfaser ist.

22. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsgebiet einen im wesentlichen einheitlichen Querschnittsdurchmesser aufweist.

23. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsgebiet einen engeren Querschnitt als entweder die erste oder zweite Lichtleitfaser aufweist.

24. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler ein 2 · 2-Koppler ist.

25. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mindestens zwei elektromagnetischen Übertragungsmodi räumlich in dem Kopplungsgebiet überlappen.

26. Optischer Frequenzumtaster, enthaltend eine Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.

27. Optisch abstimmbares Filter, enthaltend eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24.

28. Optische Vermittlung, enthaltend eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25.

29. Optischer Modulator, enthaltend eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25.

30. Verfahren zum Herstellen einer akusto-optischen Einrichtung, derart, daß das Verfahren folgende Schritte enthält:

Herstellen eines Lichtleitfaser-Richtungskopplers mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (10), die optisch bei einem Kopplungsgebiet (30) zu einer zweiten Lichtleitfaser (20) so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet in mindestens zwei möglichen Übertragungsmodi ausbreiten kann, gekennzeichnet durch:

das Bereitstellen einer Vorrichtung (40, 50, 50) zum Erregen einer akustischen Biegeschwingung mindestens eines Teils des Kupplungsgebiets zum Bewirken einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi.

31. Verfahren zum akusto-optischen Frequenzverschieben von Licht, derart, daß das Verfahren folgende Schritte enthält:

Richten von Licht in einen Lichtleitfaser- Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (10), die optisch bei einem Kopplungsgebiet (30) mit einer zweiten Lichtleitfaser (20) so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann;

gekennzeichnet durch Erregen (40, 50, 60) einer akustischen Biegeschwingung in mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets zum Bewirken einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi.

32. Verfahren zum optischen Vermitteln, derart, daß das Verfahren folgende Schritte enthält:

Richten von Licht in einen Lichtleitfaser- Richtungskoppler mit einer ersten Lichtleitfaser (10), die optisch bei einem Kopplungsgebiet (30) an eine zweite Lichtleitfaser (20) so gekoppelt ist, daß sich Licht in dem Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann, derart, daß das sich in jedem Modus ausbreitende Licht vorrangig von einem zugeordneten Ausgangsanschluß des Kopplers ausgeht; und

Erzeugen (40, 50, 60) einer akustischen Biegeschwingung bei mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets zum Bewirken einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi.

33. Optische Vermittlungseinheit, enthaltend:

einen Lichtleitfaser-Richtungskoppler mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (10), die optisch bei einem Kopplungsgebiet (30) an eine zweite Lichtleitfaser (20) so gekoppelt ist, daß sich Licht im Kopplungsgebiet mit mindestens zwei möglichen elektromagnetischen Übertragungsmodi ausbreiten kann, derart, daß das sich in jedem Modus ausbreitende Licht vorrangig von einem zugeordneten Ausgangsanschluß des Kopplers ausgeht; und

eine Vorrichtung (40, 50, 60) zum Erzeugen einer akustischen Biegeschwingung bei mindestens einem Teil des Kopplungsgebiets zum Bewirken einer Energieübertragung zwischen den Übertragungsmodi.